超声波的产生与传播

PHYSICS超声波的产生与传播物理原理·产生机制·传播特性教学课件课程导览01声波本质建立超声波与普通声波的物理关联02产生机制解析压电效应与磁致伸缩两大原理03传播特性剖析声场分布与介质传播规律04应用延伸以典型应用印证理论价值CHAPTER声波本质从机械波到超声波理解超声波的物理本质，是掌握其产生与传播的前提。01什么是超声波超声波是指频率高于

20kHz

的声波，超出正常人耳听觉上限常用频段2项工业检测1-10MHz医学诊断2-15MHz传播条件2项同属机械波依赖介质传播无法在真空中传播波束特性2项波长短方向性好能量集中机械波的共同特征“超声波与普通声波共享同一套波动本质，差异只在频率与波长。”“理解共性，才能抓住超声波的个性。”波动现象反射、折射、衍射、干涉等波动行为，超声波全部服从。描述参量波长λ、频率f、声速c，满足

c=λf。独特之处高频、短波长，使超声波行为更接近几何声学。纵向波的振动本质超声波在常规介质中主要以纵波形式传播，质点振动方向与传播方向一致。传播依赖纵波传播依赖介质的弹性恢复力，介质的密度与弹性模量决定声速。疏密变化相邻质点依次产生疏密相间的状态变化，形成周期性压缩区与稀疏区。固体附加波形在固体中还可产生横波、表面波等波形。CHAPTER产生机制电能如何变为声能两大换能原理，揭示超声波产生的物理基础。02压电效应电能与声能的可逆转换，是压电效应的物理本质。晶体在受力与电场之间双向转换，实现电能与声能的互变。正压电效应力→电受力形变某些晶体在受力形变时，表面产生电荷典型材料石英、钛酸钡、锆钛酸铅

PZT逆压电效应电→声反向施加施加交变电场，晶体发生周期性形变辐射声波向外辐射声波，频率高于

20kHz

时成为超声波源压电换能器的工作过程高频交变电压驱动压电晶片，完成从电信号到超声波的转换。1信号输入信号发生器输出高频交变电压，施加于压电晶片两端2逆压电效应晶片发生同频机械振动，形成超声波3频率响应振动频率与晶片厚度相关晶片越薄、振动频率越高4声能优化通过背衬与匹配层提升声能输出效率磁致伸缩效应铁磁材料在外加磁场中发生尺寸变化，称为磁致伸缩效应产产生与输出周期性伸缩施加交变磁场时，材料体积产生周期性伸缩，向外辐射声波大功率低频适合产生大功率、低频超声波，广泛用于超声清洗、焊接等场景材材料与优势典型材料镍、铁钴合金、稀土超磁致伸缩材料强度优势与压电式相比，磁致伸缩换能器机械强度高、耐冲击两大产生机制对比两种换能器各有所长：压电式主导中高频精密场景，磁致伸缩式凭高机械强度胜任低频大功率任务。对比维度压电式磁致伸缩式物理原理逆压电效应磁致伸缩效应常用频段中高频低频大功率机械强度一般高、耐冲击典型应用医学成像、无损检测超声清洗、焊接CHAPTER传播特性声波在介质中的旅程声场分布与传播规律，决定超声波的应用边界。03声场与指向性声场指介质中有声波存在的空间区域，超声换能器前方可分为近场区与远场区近场区声压起伏剧烈，呈干涉复杂的菲涅尔区远场区声束规则扩散，形成主瓣与旁瓣，能量主要集中在主轴方向指向性频率越高、换能器晶片越大，指向性越强声波在介质中的衰减声强随距离增大而逐渐减弱，称为衰减介质吸收与介质粘滞性及频率平方相关散射声波遇不均匀结构偏离原方向声束扩散波前面积扩大，能量密度下降频率越高、衰减越快，高频超声穿透力有限，适宜浅层检测；低频适宜深层探测反射与透射超声波遇到异质界面时，能量一分为二：一部分反射，一部分透射进入下一介质。决定因素反射率由两种介质的声阻抗差决定，差值越大、反射越强。典型例证空气与人体组织声阻抗差异巨大，故超声检查需使用耦合剂。应用基础反射回波是超声成像与无损检测的物理基础。CHAPTER应用延伸从理论走向实践超声波的独特传播特性，成就了广泛的应用价值。04医学超声诊断利用超声波的

反射特性，向人体发射脉冲并接收回波，实现组织成像。频率参数2-15MHz通常为此范围，兼顾分辨率与穿透深度临床优势无电离辐射·实时动态可实时动态观察，广泛用于产科、心血管、腹部等检查分辨率保障高频短波长·强指向性由高频短波长的强指向性保障图像的空间分辨率工业无损检测工业无损检测利用超声波在缺陷界面的反射行为，实现材料内部缺陷的精准识别与定位检测原理发射超声波并分析回波信号，检测材料内部的缺陷与裂纹频率选择平衡穿透深度与检测灵敏度，常见范围1-10MHz应用领域广泛用于航空航天、轨道交通、压力容器等安全关键领域超声清洗与焊接适用于塑料、金属等材料的快速清洁与精密焊接。超声清洗低频大功率超声波在液体中产生空化效应，剥离工件表面污垢。空化气泡崩溃产生瞬时高压与微